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口服镁改善急性肝损伤:Germ-free小鼠揭示肠道菌群的关键作用

多种损伤(包括药物过量)引起的急性肝衰竭(Acute liver failure, ALF)是全球肝脏相关死亡的主要原因之一。对乙酰氨基酚(Acetaminophen, APAP)过度使用是临床上导致ALF的常见原因。

 

2023年12月5日,南方医科大学陈鹏、马强及姜勇共同通讯在Cell Host & Microbe在线发表题为“Oral magnesium prevents acetaminophen-induced acute liver injury by modulating microbial metabolism”的研究论文,该研究发现口服镁(Mg)通过抑制CYP2E1的肠道微生物群代谢变化来减轻对乙酰氨基酚诱导的ALF。补充Mg的人的肠道菌群可防止小鼠对乙酰氨基酚诱导的ALF。Mg暴露可调节双歧杆菌的代谢并增加吲哚-3-甲酸(I3C)水平。甲酸C-乙酰转移酶(Formate C-acetyltransferase, pflB)是双歧杆菌中参与I3C生成的关键酶。因此,双歧杆菌pflB基因敲除显示I3C生成减少,Mg的有益作用减弱。相反,I3C或过表达双歧杆菌pflB的工程菌对ALF有保护作用。在机制上,I3C结合CYP2E1,从而抑制有害反应中间体的形成,减少肝细胞氧化损伤。

 

此研究发现双歧杆菌能够产生一种短链脂肪酸,可能作为一种新的外源性CYP2E1结合剂,预防药物所导致的急性肝损伤。吲哚-3-甲酸可能作为一种新潜在治疗方法来对抗急性肝损伤。

 

口服镁通过调节微生物代谢来预防对乙酰氨基酚引起的急性肝损伤

图片来源:《Cell Host & Microbe》

https://doi.org/10.1016/j.chom.2023.11.006

研究材料

雄性C57BL/6小鼠,Germ-free小鼠(赛业生物提供);西藏小型猪;小鼠肝实质细胞。

 

研究方法

16S-rRNA测序,qRT-PCR,蛋白免疫印迹,组织HE染色,血清损伤指标检测,DNA凝胶电泳技术,分子对接,酶解和热稳定实验,HPLC,LCMS等。

 

技术路线

01 口服Mg后通过肠道菌群可减轻小鼠对乙酰氨基酚诱导的急性肝损伤的影响

02 小鼠粪便菌群检测:双歧杆菌在口服镁后丰度上升以及功能学验证

03 双歧杆菌改善急性肝损伤的有效成分分析:活双歧杆菌产生吲哚-3-甲酸(I3C),I3C处理可以缓解药物性肝损伤小鼠爆发性肝炎的发生

04 I3C治疗急性肝损伤的临床转化探索:I3C降低APAP急性肝损伤西藏小型猪模型死亡率、减轻全身炎症和器官损伤

 

研究结果

1 口服镁摄入量对ALF的有益作用与肠道微生物群有关

研究者采取腹腔注射和口服的方式,连续七天给予小鼠NaCl或MgCl2。给药结束后,采用APAP造模方式构建ALF模型并取材检测小鼠肝脏损伤情况(Figure 1,A-H)。经过对取样后的血浆中的ALT、AST以及肝脏坏死区域进行测量,同时结合肝脏的HE染色病理评分,研究者发现,腹腔注射NaCl或MgCl2的小鼠在APAP诱导的ALF模型中,其表现并无显著差异。

 

然而,灌胃NaCl或MgCl2的小鼠在APAP诱导的ALF模型中,MgCl2+APAP组小鼠相较于NaCl+APAP组小鼠的ALT、AST等肝功能指标显著下降,肝脏坏死区域显著减少,中性粒细胞与巨噬细胞显著减少。因此口服MgCl2能够有效的保护APAP导致的小鼠ALF,这也揭示了肠道菌群可能在这一过程中起到重要作用。

 

口服镁通过调节微生物代谢来预防对乙酰氨基酚引起的急性肝损伤
口服镁通过调节微生物代谢来预防对乙酰氨基酚引起的急性肝损伤

口服镁对APAP诱导的ALF的有益作用与肠道菌群有关[1]

 

在实验过程中,研究者对赛业生物提供的无菌小鼠采取了NaCl和MgCl2灌胃处理,连续灌胃七天之后,对无菌鼠腹腔注射APAP构建了ALF模型,并在造模次日取材(Figure 1.2, E)。通过收集并分析灌胃NaCl和MgCl2后无菌鼠的血浆中ALT、AST水平以及肝脏HE染色后坏死区域测量,研究者发现了一个重要现象即没有肠道菌群的无菌鼠灌MgCl2后,之前对APAP诱导的ALF小鼠肝脏保护作用消失。这一实验结果进一步验证了口服后的镁必须通过肠道菌群才能起到对APAP诱导的ALF小鼠肝脏的保护作用。

 

研究结论

经过深入研究和详细实验,研究者发现口服镁能够显著改善由APAP引起的ALF小鼠的肝脏损伤情况。然而,令人惊讶的是,通过腹腔注射镁并不能达到同样的保护效果。这一结果让研究者猜想肠道菌群可能在此保护作用中扮演了关键角色。研究者计划在接下来的研究中深入探究到底是哪种肠道菌群参与了肝脏的保护作用,以及镁是如何与这种肠道菌群协同发挥保护作用。所以采用由赛业提供的无菌鼠来进一步研究机制,这一研究不仅有助于研究者更深入理解ALF的发病机制,同时也可能为未来开发ALF新的治疗策略提供重要的理论依据。

 

原文检索:

[1]Li D, Chen Y, Wan M, et al. Oral magnesium prevents acetaminophen-induced acute liver injury by modulating microbial metabolism. Cell Host Microbe. 2024;32(1):48-62.e9. doi:10.1016/j.chom.2023.11.006

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